洱海区域流砂地质条件下沉井设计计算研究

方 涛

(中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引言

在顶管施工中，沉井技术在我国已是十分成熟的技术，避免了大面积开槽埋管所带来的影响，特别是针对地下水丰富的区域，只要下沉条件允许时几乎适应任何土质[1-3]，且能较大程度上承受水平推力，使得其在不开槽顶管作业中被广泛推广。同时，由于在设计与施工中所采用的计算方法及方案不科学[4,5]，可能会出现井壁混凝土开裂、分节、分段处施工缝处理不到位、渗水等问题，且在复杂地质条件下，施工难度加大，就此，本文就以洱海区域流砂地质条件下顶管沉井施工为实例，就现场施工技术组织深化设计沉井施工计算原理。经工程实践验证，满足类似洱海区域流砂地质条件或其他不良地质条件下的沉井设计施工。

1 工程概况

大理市洱海环湖截污工程二标段主要收集和处理洱海旁上关片区内居民生活污水，涉及工程量有：0.5万t/d污水厂1座，提升泵站2座；沿湖主干管网17.1 km；河道支线19.6 km。由于毗邻洱海，主干管网部分区域不易排水开挖，采用不开槽顶管作业，全线顶管井(6.5 m×3.5 m,φ6.5 m)18个、接收井(5.0 m×3.5 m,φ5.0 m)18个、骑马井(φ1.6 m)31个，管径600 mm～1 000 mm，埋深为3.6 m～10 m。所有工作井均采用沉井施工，分节、分段制作。其中，井壁混凝土采用C30P6，钢筋采用12 mm,16 mm；封底混凝土采用水下C35P6。

2 工程地质条件

由于工程毗邻洱海，故场地附近最大的地面水体为洱海，则地下水与洱海水相互渗流补给，使得地下水为孔隙型潜水，其最高水位为1 966.0 m。根据勘察资料，具体各土层的物理力学性质如表1所示。

表1 各土层的物理力学性质

3 下沉过程中的计算与分析[6]

下沉高度达10 m，高度较大，为保证沉井的稳定性和减少沉井刃脚下混凝土垫层的厚度，沉井采用分2节制作，2次下沉的方法，即第一节高为6.0 m、第二节高为4.0 m。

3.1 沉井分节、分段下沉验算

在沉井下沉前，考虑现场实际情况，对拟定分节沉井下沉进行验算。其下沉系数为克服井壁与土之间摩阻力和地层对刃脚的反力的比值，按下式进行计算：

其中，f1,f2,f3，…，fn均为各层土与井壁的摩阻系数，kN/m2；n1，n2，n3，…，nn均为各层土的厚度，m。根据现场地质勘探报告及沉井尺寸如图1所示，取杂填土层f1=16 kN/m2，n1=3.8 m；粉质黏土层f2=19 kN/m2，n2=1.7 m；粉土层f3=17 kN/m2，n3=4.5 m。故f0=16.96 kN/m2。

沉井尺寸为6 500 mm×3 500 mm，采用排水施工作业，且在下沉工程中将刃脚底面及斜面的土方挖空。则：

Q1=2 056.32 kN，Q2=1 370.88 kN；S=R=0；T=1 780.8 kN。

1)第一节沉井下沉。

K1=2 056.32/1 780.8=1.15≥1.15，满足下沉要求。

2)第二、三节沉井下沉。

K2=(2 056.32+1 370.88)/1 780.8=1.92≥1.25，满足下沉要求。

综上所述：第一节高为6.0 m、第二节高为4.0 m均能满足下沉要求。

3.2 下沉稳定性验算

沉井在软卧土层中下沉时，可能发生突沉，需对沉井下沉进行稳定性验算。可按下式验算：

其中，K′为沉井下沉稳定系数，应小于1；G为沉井的自重力；S为地下水浮力，排水下沉时，S=0，不排水下沉时取总浮力的70%；Rf为沉井外壁有效摩阻力的总和；R1为刃脚踏面及斜面下土的支撑力；B0,L0分别为沉井的平均长、宽度,m；C为刃脚踏面宽度,m；n为刃脚斜面与井内土体接触面的水平投影宽度,m；R2为沉井内部隔墙和底梁下土的支承力；fu为持力层承载力设计值,取fu=125 kN/m2；A1为隔墙和底梁的总支承面积,m2,取0。则：

Rf=2×(6.5+3.5)×(16×3.8+19×1.7+17×4.5)=3 392 kN；

R1=2×(7.1+4.1)×(0.3+0.3/2)×125=1 260 kN。

故K′=(2 056.32 kN+1 370.88 kN)/(3 392 kN+1 260 kN)=0.74<1.0。据此可知：沉井在自重下能够稳定。

3.3 垫架拆除井壁强度验算

由于所采用的沉井尺寸较小(6 500 mm×3 500 mm)，故采用4点对称支承，以减少内力。则：

其中，M支为支座弯矩，kN·m；M中为跨中弯矩，kN·m；V1为支座外侧剪力,kN；V2为支座内侧剪力,kN；q为井墙单位长度重量,kN/m，得：q=102.82 kN/m；L为沉井长边长度，m；B为沉井宽边长度，m；L1为长边两支座间距离，取0.8L=5.2 m；L2为长边支座外悬臂长度，取0.1L=0.65 m；b为井壁厚度，取0.6 m。则：

M支=-19.66 kN·m；M中=397.2 kN·m；V1=108.08 kN；V2=267.33 kN。故待刃脚部分混凝土强度达到100%，且井壁混凝土强度达到70%以上(以同条件养护的混凝土试块强度为准)时，开始下沉。

3.4 渗透水量计算

由于沉井四侧为混凝土壁，计算时可假定为一深井，其渗透水量可按下式计算：

其中，Q为单位时间内的渗透水量，m3/d；K为粉砂的渗透系数，取0.5 m/d；A为水渗流的截面面积，得A=36.19 m2；i为水力坡度，即高水位与低水位之差与渗透距离之比值。其中，地下水位为h″=2.06 m，t=1.5 m；则：h′=6.44 m，i=0.68；Q=12.3 m3/d。由于地下水与洱海水相互渗流补给，拟进行水下混凝土封底。

3.5 封底计算

3.5.1矩形沉井封底

按周边简支支承的双向板计算，承受均布荷载时，跨中弯矩M1,M2值可按下式计算：

其中，a1,a2均为弯矩系数，因l1/l2=0.35/0.65=0.54，取a1=0.098 1，a2=0.034 0；p为静水压力形成的荷载，得：p=95-1.5×24=59 kN·m；l1为矩形板计算跨度，取3.5 m。得：M1=70.9 kN·m，M2=26.49 kN·m。

3.5.2封底混凝土的厚度计算

根据求得的弯矩M按下式计算：

其中，h为封底混凝土厚度，m；F为安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.65；M为板的最大弯矩，N·mm；b为板宽，一般取1 000 mm；fct为混凝土抗拉强度设计值，取1.57 N/mm2；D为考虑水下混凝土可能与井底泥土掺混的增加厚度，取0.35 m。得：h=1 m<1.5 m，封底混凝土厚度为1.5 m符合要求。

3.6 抗浮稳定性验算

沉井封底后，整个沉井受到被排除地下水的向上浮力作用，验算其抗浮系数K(沉井外未填土)，不计抗浮的井壁与侧面土反摩擦力的作用，按下式验算：

其中，G为沉井自重力，kN；F为地下水向上的浮力，kN。则：

K=(2 056.32+1 370.88)/[(7.7×4.7-6.5×3.5)×7.94×10]=3.21≥1.15，故沉井抗浮稳定。

4 结语

利用《简明施工手册》中的规范及经验估算公式对下沉过程进行验算与分析，经工程实际施工验证满足洱海区域流砂地质条件下的沉井施工，为存在流沙层或其他不良地质条件的情况下的沉井设计施工提供借鉴。